如何改造低頻ISM RF發(fā)送器以支持高頻應(yīng)用

低頻(300MHz至450MHz) ISM RF發(fā)送器已廣泛用于歐洲434MHz市場(chǎng)，這也是美國(guó)260MHz至470MHz頻段的重要頻點(diǎn)。本文介紹了如何使用現(xiàn)有的低頻段RF IC構(gòu)建868MHz發(fā)送器，以支持歐洲868MHz至870MHz免授權(quán)頻段應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論了一系列測(cè)試，分析采用一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)用于300MHz至450MHz ISM頻段的RF發(fā)送器在868MHz頻率下所能提供的發(fā)射功率。

理論挑戰(zhàn)

對(duì)于大多數(shù)低頻ISM發(fā)射器，其開關(guān)功率放大器(PA)產(chǎn)生的二次諧波僅比基波頻率低3dB。如果允許犧牲部分效率和功率性能，是否可以采用設(shè)計(jì)用于434MHz的IC來構(gòu)建868MHz ASK發(fā)送器呢？由于相位噪聲密度僅僅滿足歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)對(duì)于歐洲434MHz免授權(quán)波段的帶外輻射標(biāo)準(zhǔn)要求，該相位噪聲密度無法滿足868MHz頻段更為嚴(yán)格的要求。但這并不意味著設(shè)計(jì)868MHz ASK發(fā)送器沒有任何價(jià)值。一些用戶可能只需要很低的發(fā)射功率，或者只需對(duì)低頻段IC的振蕩器進(jìn)行一些修改，并不需要進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。

開關(guān)功率放大器的RF頻譜

大多數(shù)低頻ISM RF發(fā)送器中，開關(guān)功率放大器會(huì)產(chǎn)生占空比為0.25的周期脈沖，該脈沖序列的周期即為載波周期。理論上，脈沖序列的頻譜是一組位于載頻整數(shù)倍頻點(diǎn)、以均勻間隔排列的譜線。每條譜線的幅度由函數(shù)sinc (sinx/x)加權(quán)，其中在4倍載頻的整數(shù)倍頻點(diǎn)處，幅度為零。圖1給出了434MHz載波頻譜的前六次諧波。868MHz分量(二次諧波)僅比基頻434MHz低3dB。事實(shí)上，電路中的開關(guān)放大器只是驅(qū)動(dòng)一個(gè)調(diào)諧電路，而電路特性主要取決于對(duì)基頻諧波的抑制能力。如果調(diào)諧電路具有相對(duì)較寬的頻帶，那么它在868MHz處的輻射功率與基頻功率的差值就會(huì)小于3dB。

圖1. 434MHz頻點(diǎn)處，25%占空比RF脈沖的基波與諧波理論功率

將MAX7044EVKIT的諧波濾波器去掉，同時(shí)將偏置電感更改為62nH (這個(gè)值與2pF至2.5pF的寄生電容產(chǎn)生諧振)，可以在此評(píng)估板上驗(yàn)證3dB的差異。由L-C組成的諧振電路具有較寬的頻帶。因此，當(dāng)功率放大器輸出直接連接到50Ω負(fù)載時(shí)，不會(huì)大幅衰減868MHz處的諧波。圖2所示為頻譜分析儀在434MHz和868MHz頻點(diǎn)的顯示結(jié)果。868MHz分量比434MHz分量低3.5dB，這說明諧振電路衰減了0.5dB。

圖2. MAX7044EVKIT的ISM發(fā)送器工作在434MHz時(shí)的頻譜

下一步是修改匹配網(wǎng)絡(luò)以增強(qiáng)868MHz二次諧波，并衰減434MHz基頻。

修改天線匹配電路以支持868MHz系統(tǒng)

434MHz匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

利用已有的434MHz頻段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)MAX7044EVKIT進(jìn)行修改，使其支持868MHz頻點(diǎn)應(yīng)用。所有ISM RF發(fā)送器評(píng)估板的匹配網(wǎng)絡(luò)在300MHz至450MHz頻段具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖中器件標(biāo)號(hào)與MAX7044EVKIT評(píng)估板標(biāo)示相同。

圖3. MAX7044EVKIT的匹配網(wǎng)絡(luò)和器件標(biāo)號(hào)

采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，有多種方法可以將電路匹配至50Ω負(fù)載。最直接的方法是將C2-L3-C6的π型網(wǎng)絡(luò)配置為50Ω低通濾波器來抑制諧波。然后，使用C1-L1組成的“L”型窄帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)將50Ω變換到高阻。除了280MHz至450MHz、可編程發(fā)送器MAX7044和MAX7060外，所有Maxim ISM RF低頻段發(fā)送器在驅(qū)動(dòng)125Ω至250Ω負(fù)載時(shí)的功效是最高的。MAX7044在低頻驅(qū)動(dòng)50Ω至60Ω負(fù)載時(shí)具有最高發(fā)射功率(2.7V供電時(shí)為13dBm)。增大發(fā)送器功率放大器輸出端的阻抗，可以降低發(fā)射功率和供電電流。正常工作在低頻時(shí)，選擇電感和電容用于匹配功率放大器在設(shè)計(jì)頻率下要求的阻抗。對(duì)于MAX7044EVKIT，LC網(wǎng)絡(luò)在433.92MHz時(shí)能夠很好地匹配在50Ω負(fù)載。

以下實(shí)驗(yàn)的目的是改變433.92MHz評(píng)估板的匹配網(wǎng)絡(luò)(使其在868MHz下能夠很好地匹配)，同時(shí)降低其在434MHz頻點(diǎn)的發(fā)射功率。

功率放大器輸出電路調(diào)諧至868MHz

設(shè)計(jì)868MHz頻率下的匹配電路，第一步是嘗試可行的、最簡(jiǎn)單的匹配方案，即功率放大器輸出端連接至50Ω電阻的868MHz諧振電路。這種方式用于產(chǎn)生圖1中的基線頻譜。然而，這種情況下，偏置電感與功率放大器引腳的寄生電容諧振工作在868MHz (而不是434MHz)。如配置為圖4所示原理圖，MAX7044EVKIT功率放大器偏置電感需由62nH (434MHz諧振電路)改為16nH (868MHz諧振電路)。另外，移除π型網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)電容，將串聯(lián)電感替換為0Ω電阻。最后，將π型網(wǎng)絡(luò)與偏置電感之間的串聯(lián)電容C1改為47pF，作為868MHz的隔直電容。

圖4. MAX7044EVKIT工作在868MHz時(shí)的簡(jiǎn)單諧振電路匹配網(wǎng)絡(luò)

下面列出了434MHz基頻及前4次諧波的功率測(cè)量值。圖5給出了434MHz和868MHz處的頻譜分量，頻率值四舍五入至最接近的1MHz內(nèi)。

VDD = 2.7V，I = 16.83mA，IPLL = 2.06mA，IPA = I –IPLL = 14.77mA
P(434MHz) = +9.0dBm
P(868MHz) = +8.65dBm
P(1302MHz) = +4.5dBm
P(1736MHz) = -3.0dBm

功率放大器總效率(全部四個(gè)頻點(diǎn)的功率/(VDD × IPA)) = 46.6%
868MHz頻點(diǎn)處功率放大器的效率 = 18.4%。

圖5. MAX7044EVKIT諧振電路調(diào)諧至868MHz時(shí)的頻譜